cs3000系統(tǒng)在酸性水汽提裝置中的設(shè)計與應(yīng)用

1、<p>　　CS3000系統(tǒng)在酸性水汽提裝置中的設(shè)計與應(yīng)用</p><p>　　摘 要：介紹了酸性水汽提裝置的主要工藝流程及橫河CS3000集散控制系統(tǒng)等。從工程設(shè)計的角度，介紹了酸性水汽提裝置的控制系統(tǒng)硬件配置、主要控制方案、控制系統(tǒng)的組態(tài)、供電、接地及工程實施等方面。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：集散控制系統(tǒng)；酸性水汽提裝置；設(shè)計 </p><p>

2、<b>　　1 概述 </b></p><p>　　天津石化100萬噸/年乙烯及配套裝置是國內(nèi)新建大型石化生產(chǎn)裝置之一，為了滿足生產(chǎn)與環(huán)保的需要，各工藝裝置生產(chǎn)的含硫污水集中處理，為此，新建一套130噸/時酸性水汽提裝置。根據(jù)污染集中治理、節(jié)省投資與占地、綜合利用、節(jié)能降耗、合理優(yōu)化等原則，130噸/時酸性水汽提裝置與氣體脫硫及溶劑再生裝置聯(lián)合布置、統(tǒng)一管理、聯(lián)合操作，實現(xiàn)全廠酸性氣、酸性水

3、處理的安全、穩(wěn)定、優(yōu)化、長效。 </p><p>　　天津130噸/時酸性水汽提裝置、氣體脫硫及溶劑再生裝置與煉油工程新建生產(chǎn)裝置、輔助設(shè)施及相應(yīng)的公用工程共用一個中央控制室（CCR1）。采用中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜間分離設(shè)置的方式。中央控制室設(shè)置在非爆炸危險區(qū)域，操作管理人員在中央控制室完成生產(chǎn)裝置的控制、監(jiān)測、操作及管理等?，F(xiàn)場機(jī)柜間設(shè)置在130噸/時酸性水汽提裝置/氣體脫硫及溶劑再生裝置內(nèi)（FRR1-08）?，F(xiàn)

4、場儀表信號通過電纜連接到現(xiàn)場機(jī)柜間（FRR1-08），從中央控制室（CCR1）到現(xiàn)場機(jī)柜間（FRR1-08）的信號傳輸采用冗余光纜。 </p><p><b>　　2 工藝流程簡述 </b></p><p>　　自裝置外來的混合酸性水，進(jìn)入原料水脫氣罐，脫出的輕油氣送至工廠火炬系統(tǒng)，脫后的酸性水進(jìn)入原料水罐沉降除油，再經(jīng)原料水泵加壓后進(jìn)入原料水除油器進(jìn)一步除油，再脫出

5、的輕污油間斷自流至地下污油罐。除油后的酸性水進(jìn)入原料水罐，經(jīng)原料水增壓泵加壓后送至酸性水汽提部分。具體原則流程圖如圖1所示。 </p><p>　　來自預(yù)處理部分的酸性水，與主汽提塔底凈化水換熱至100℃后，進(jìn)入主汽提塔上部。塔底用0.4MPa蒸汽通過重沸器間接加熱汽提，以保證塔底溫度129.3℃；冷凝后的凝結(jié)水送至氣體脫硫及溶劑再生裝置凝結(jié)水回收罐。主汽提塔頂酸性氣經(jīng)空冷器冷卻至85℃后進(jìn)入塔頂回流罐，冷凝液經(jīng)

6、塔頂回流泵返塔作為回流，酸性氣送至20萬噸/年硫磺回收裝置。主汽提塔底凈化水經(jīng)換熱器、空冷器冷卻至40℃，一部分送至上游裝置回用，剩余部分排至含油污水管網(wǎng)。具體原則流程圖如圖2所示。 </p><p>　　酸性水汽提裝置的主要設(shè)備有主汽提塔、換熱器、重沸器、冷卻器、空冷器、原料水罐、原料水除油器、離心泵等。 </p><p><b>　　3 自動化水平 </b><

7、;/p><p>　　本裝置自動控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)（以下簡稱DCS）。DCS系統(tǒng)融合了計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，以微處理器為核心，對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中操作管理和分散控制，具有精確度高，可靠性好和維護(hù)工作量少等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的集中控制、平穩(wěn)操作、安全生產(chǎn)、從而提高生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量，降低能耗，充分發(fā)揮工藝裝置的生產(chǎn)加工能力，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。DCS系統(tǒng)建立了實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)整個工程項目的計算機(jī)信息管理和生

8、產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理，工藝數(shù)據(jù)報警均在DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)。 </p><p>　　本裝置DCS系統(tǒng)采用橫河CS3000控制系統(tǒng)。中央控制室、機(jī)柜間系統(tǒng)配置圖如圖3、4所示。 </p><p>　　3.1 CS3000系統(tǒng)概述 </p><p>　　橫河CS3000控制系統(tǒng)（Vnet/IP）是基于TCP/IP協(xié)議的雙網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)采用廣播的方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的傳

9、輸速率為1GB/秒。CS300 </p><p>　　0系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器和人機(jī)界面?，F(xiàn)場控制器直接監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，人機(jī)界面為操作員提供了處理這些過程數(shù)據(jù)的界面，也為操作員提供了多種操作界面：如工藝流程圖、儀表操作面板、系統(tǒng)狀態(tài)報警及過程數(shù)據(jù)等；同時，CS3000系統(tǒng)通過RS485方式，與SIS、PLC等系統(tǒng)進(jìn)行通訊，為這些系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)操作界面。CS3000系統(tǒng)是一套規(guī)模適合、性能先進(jìn)、功能完整、設(shè)備可靠、具

10、有開放性的控制系統(tǒng)。 </p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)硬件 </b></p><p>　　系統(tǒng)硬件的基本組成包括操作站、工程師站、現(xiàn)場控制器和通信網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　3.2.1 操作員站 </p><p>　　操作員站主要是對現(xiàn)場的過程變量數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和監(jiān)控，并對整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及報警進(jìn)行監(jiān)控。每個

11、操作員站配置了標(biāo)準(zhǔn)操作員鍵盤。 </p><p>　　本裝置操作員站采用雙層的22"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統(tǒng)。各個裝置的操作員站進(jìn)行分組，每組操作員站配置了一臺具有工程師組態(tài)功能的操作員站，并配置了相應(yīng)的軟件。 </p><p>　　3.2.2 工程師站 </p><p>　　工程師站主要是對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試，開車時離

12、線下載，在線運(yùn)行時，可以在線修改組態(tài)并下載。 </p><p>　　本裝置工程師站采用單層的22"寬屏顯示器，安裝了MS Windows XP操作系統(tǒng)。 </p><p>　　3.2.3 現(xiàn)場控制器 </p><p>　　現(xiàn)場控制器完成過程數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和控制信號輸出等功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。 </p><p>　　本裝置采用

13、雙冗余機(jī)架型控制器，配置應(yīng)用擴(kuò)展功能軟件包，最多可下掛的節(jié)點數(shù)可達(dá)14個?，F(xiàn)場控制器包括2塊處理器單元，2個電源模塊，2塊ESB總線模塊，以及6個可以插I/O卡件的插槽，最多可以安裝6塊I/O卡。 </p><p>　?。?）處理器單元采用了4個CPU，可靠性極高，實現(xiàn)了完全的容錯冗余功能。每塊處理器單元模件內(nèi)設(shè)計了2個獨立的CPU單元，將兩個獨立的CPU單元運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行一致性比較，如果比較結(jié)果一致，則該側(cè)控制器

14、輸出運(yùn)算結(jié)果。這樣有效地診斷出任何硬件故障或隨機(jī)性運(yùn)算錯誤，阻止任何錯誤輸出，并保證不間斷地輸出正確的控制運(yùn)算結(jié)果。2塊處理器互為事實冗余，其中一塊出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警，切換到另一塊處理器，不會影響系統(tǒng)的控制功能。（2）現(xiàn)場控制器采用兩路獨立的供電模式，分別對處理器、I/O卡件及通訊模塊提供冗余的電源，其中的任何一路電源有故障時，都不會影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)會自動報警。（3）ESB總線通訊模塊是用來接連處理器和下掛Node的I/O通

15、訊總線，2塊通訊模塊互為冗余，任何一個通訊模塊有故障時，都不會影響整個系統(tǒng)。 　　3.2.4 通訊網(wǎng)絡(luò) </p><p>　　CS3000 Vnet/IP控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.3和Vnet/IP協(xié)議的開放性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于天津項目裝置較多，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很大，傳輸數(shù)據(jù)量較大，為了降低整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷，把煉油裝置劃分為6個局域網(wǎng)LAN1～LAN5、LAN8，所有煉油裝置的人機(jī)界面主要集

16、中在第一中央控制室（CCR1）進(jìn)行控制操作和監(jiān)視。每個LAN對應(yīng)1個相對獨立的域，各個LAN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)單元的數(shù)據(jù)通訊配置了思科的2層交換機(jī)，主要是把本局域網(wǎng)LAN內(nèi)所有控制設(shè)備連接到一起，如現(xiàn)場控制器、操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)采集終端等設(shè)備。在各個局域網(wǎng)之間，配置了思科的3層交換機(jī)，主要是把每個相關(guān)的局域網(wǎng)連接到一起，把各局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，上層網(wǎng)絡(luò)中的工藝工程師站、GDS站以及全局工程師站等都可以通過3層交換機(jī)，對下層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)

17、設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控。 </p><p>　　4 酸性水裝置I/O點規(guī)模及I/O卡件配置 </p><p>　　酸性水裝置控制系統(tǒng)I/O卡件配置規(guī)模見表1。 </p><p><b>　　5 主要控制方案 </b></p><p>　　酸性水汽提裝置控制回路以單回路控制系統(tǒng)為主，根據(jù)控制需要也設(shè)置了復(fù)雜控制回路。例如主汽提

18、塔塔頂回流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制回路；主汽提塔酸性水的進(jìn)料流量與重沸器蒸汽流量比值控制回路；原料水脫氣罐頂輕油氣至火炬壓力分程控制回路；脫臭系統(tǒng)壓力指示聯(lián)鎖控制回路等等。下面對串級控制及比值控制進(jìn)行簡要說明。 </p><p><b>　　5.1 串級控制 </b></p><p>　　串級控制系統(tǒng)是兩個控制器串接，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定，適用

19、于時間常數(shù)及純滯后較大的被控制對象，具有可減小副控制對象的等效時間常數(shù)、提高系統(tǒng)的工作效率、抑制進(jìn)入副控制回路的擾動、適應(yīng)負(fù)荷變化等特點。 </p><p>　　串級控制系統(tǒng)的目的是更好地穩(wěn)定主變量，使之等于給定值，主回路是給定值控制系統(tǒng)。副回路的給定值是主控制器的輸出值，在串級控制系統(tǒng)中，副變量不是不變的，而是隨主控制器的輸出變化而變化，它是一個隨動控制系統(tǒng)。 </p><p>　　酸性

20、水汽提裝置主汽提塔塔頂回流罐液位控制回路LICA-20201與主汽提塔塔頂回流流量控制回路FICQ-20201組成串級控制回路。LICA-20201作為主回路，F(xiàn)ICQ-20201作為副回路。主汽提塔塔頂回流罐控制流程圖如圖5所示。 </p><p>　　任何一個控制系統(tǒng)在投運(yùn)前，必須正確選擇調(diào)節(jié)器的正反作用，使控制作用的方向正確，否則在閉合回路中進(jìn)行的不是負(fù)反饋而是正反饋，它將不斷增大偏差，造成無法調(diào)節(jié)。 &l

21、t;/p><p>　　串級回路主、副調(diào)節(jié)器作用方式確定方法如下：副調(diào)節(jié)器的作用方式與副對象特性、控制閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)，按照使副回路成為1個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定，根據(jù)此原則判斷副調(diào)節(jié)器的作用方式為正作用。在副回路構(gòu)成閉環(huán)回路之后，串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器作用方式與主對象特性有關(guān)，根據(jù)此原則判斷主調(diào)節(jié)器的作用方式為正作用。 </p><p>　　在生產(chǎn)過程中，當(dāng)主汽提塔塔頂回流罐的液位LT-2

22、0201增加時，主調(diào)節(jié)器LIC-20201為正作用方式，所以輸出值增加。副回路為隨動控制系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器FIC-20201為正作用方式，所以調(diào)節(jié)閥FV-20201的開度增加，塔頂回流罐酸性水至主汽塔流量增加，液面下降，達(dá)到生產(chǎn)工藝控制要求。具體組態(tài)連接圖如圖6所示。 </p><p><b>　　5.2 比值控制 </b></p><p>　　在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要求兩種

23、（或更多種）物料以一定的比例混合后參加化學(xué)反應(yīng)，以保證反應(yīng)時充分節(jié)約能量，為此需要運(yùn)用比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)分為單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、串級比值控制系統(tǒng)及帶邏輯提量的比值控制系統(tǒng)。 </p><p>　　酸性水汽提裝置主汽提塔酸性水進(jìn)料流量FIC-20301與重沸器蒸汽流量FIC-20101、FIC-20102組成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，具體流程圖如圖7所示。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點是在保持比值控

24、制的前提下，主動量和從動量兩個流量均構(gòu)成了閉環(huán)回路，這樣它能克服自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩(wěn)，并使得工藝總負(fù)荷也較穩(wěn)定。 </p><p>　　主汽提塔酸性水進(jìn)料流量和重沸器蒸汽流量的比例是一定的，而酸性水的入塔量由上一道工序決定，這樣主汽提塔進(jìn)料流量為不控量。當(dāng)酸性水的流量FIC-20301產(chǎn)生波動時，調(diào)節(jié)蒸汽流量FIC-20101及FIC-20102，保證酸性水和蒸汽的比例不變。所以FIC-2030

25、1為主動量，F(xiàn)IC-20101及FIC-20102為從動量。具體組態(tài)連接圖如圖8所示。 </p><p>　　圖8中，F(xiàn)IC-20301為主動控制回路，F(xiàn)IC-20101、FIC-10102為從動控制回路，RATIO 為比例設(shè)定器，F(xiàn)OUT為串級信號分配器，TT-20111、PT-20101為FIC-20101、FIC-10102的溫度補(bǔ)償及壓力補(bǔ)償。酸性水流量通過比例設(shè)定器作為蒸汽流量調(diào)節(jié)的給定值，通過串級信號

26、分配器，將給定值等同的分配給兩路輸出。 </p><p>　　6 控制系統(tǒng)工程組態(tài) </p><p>　　組態(tài)選用DCS系統(tǒng)所提供的軟硬件工具，對所選用儀表設(shè)備、所需的過程參數(shù)、控制方案運(yùn)行定義和連接，從而滿足工藝控制過程的要求。CS3000的組態(tài)主要包括系統(tǒng)COMMON組態(tài)，操作站（HIS）組態(tài)，流程圖組態(tài)，控制站組態(tài)（FCS）。 </p><p>　　系統(tǒng)COM

27、MON組態(tài)主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)，系統(tǒng)常數(shù)組態(tài)，工程單位組態(tài)，報警表組態(tài)，報警優(yōu)先級組態(tài)等。操作站（HIS）組態(tài)包括操作站構(gòu)成，操作分組，連接傳輸，趨勢記錄，畫面名，窗口名等。流程圖組態(tài)即帶控制點的工藝流程圖組態(tài)。通過這些部分組態(tài)設(shè)定，使操作站（HIS）具備了人機(jī)接口的功能，使操作員能夠通過操作站對生產(chǎn)過程操作。 </p><p>　　控制站（FCS）組態(tài)主要包括控制站硬件組成、I/O卡件分配、控制回路圖的設(shè)計等。

28、控制回路圖使根據(jù)工藝生產(chǎn)要求設(shè)計相應(yīng)的控制方案，將現(xiàn)場信號分配給I/O卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，完成控制方案的功能塊的連接，達(dá)到控制目的，符合工藝生產(chǎn)要求。 　　7 供電及接地 </p><p><b>　　7.1 供電 </b></p><p>　　控制系統(tǒng)電源采用兩路UPS電源和一路IPS電源。由于DCS系統(tǒng)是生產(chǎn)裝置儀表控制的核心，可靠性要求高。而控制站是DC

29、S系統(tǒng)最重要的部分，正常情況下，只要控制站部分運(yùn)行正常，其他部分即使短時間失電也不會給裝置生產(chǎn)造成大的影響。因此，保證控制站的供電基本上就保證裝置不會出現(xiàn)重大事故?？刂普颈旧砼渲昧穗p路供電的冗余電源系統(tǒng)，冗余電源系統(tǒng)的電源來自兩個獨立的電源，任何時候只要有一個回路的供電正常，系統(tǒng)就能夠正常工作?？刂葡到y(tǒng)電源配置具體如下： </p><p>　?。?）UPS電源的容量15KVAx2，供給各控制系統(tǒng)。 </p&

30、gt;<p>　　UPS電源要求：220V AC 50HZ，蓄電池容量應(yīng)保證電源故障時持續(xù)30分鐘供電， 切換時間≤5ms。 </p><p>　?。?）IPS電源容量5KVA，供給機(jī)柜照明、維護(hù)插座和風(fēng)扇等。 </p><p>　　儀表工業(yè)電源（IPS）要求：220V AC±10% 50HZ。 </p><p>　　現(xiàn)場需要外部供電的儀表設(shè)

31、備，由設(shè)置在機(jī)柜室（FRR1-08）的UPS電源配電柜提供。 </p><p><b>　　7.2 接地 </b></p><p>　　為了保護(hù)操作人員和系統(tǒng)設(shè)備本身的安全，以及所有儀表信號的準(zhǔn)確性，酸性水汽提裝置接地系統(tǒng)設(shè)置保護(hù)接地和工作接地。凡DCS系統(tǒng)柜、配電柜、服務(wù)器柜、網(wǎng)絡(luò)柜以及操作臺等用電設(shè)備的金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分，由于多種原因（如絕緣老

32、化、零線接地斷線等）而可能帶危險電壓者，均應(yīng)作保護(hù)接地。工作接地包括信號回路接地、屏蔽接地等。保護(hù)接地匯總板和工作接地匯總板經(jīng)過各自的接地干線接到接地匯總板，最終所有的接地都匯總到一個工廠電氣接地網(wǎng)，實現(xiàn)了等電位接地。 </p><p><b>　　8 工程實施 </b></p><p>　　整個項目調(diào)試、投運(yùn)工作開展順利，系統(tǒng)投運(yùn)效果良好。在DCS系統(tǒng)上實現(xiàn)了塔頂回

33、流罐液位與主汽提塔塔頂回流流量串級控制，提高了工作效率；主汽提塔酸性水進(jìn)料流量和重沸器蒸汽流量比值控制，節(jié)約了能源；脫臭系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)功能強(qiáng)大，自動化程度較高，使復(fù)雜的操作和控制變得更直觀、更清晰。 </p><p><b>　　9 結(jié)束語 </b></p><p>　　CS3000控制系統(tǒng)在酸性水氣提裝置應(yīng)用取得良好效果。投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制可靠，操作方便靈活

34、，控制方案設(shè)計合理，控制功能完全滿足了工藝的要求，為提高該廠現(xiàn)代化管理水平打下了基礎(chǔ)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]孫洪程，李大字，翁維勤.過程控制工程[M].北京：高等教育出版社，2006：2. </p><p>　　[2]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊（第三版）[M].北京：